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“DISEÑO DEL PROTOTIPO DE UNA MÁQUINA DIDACTICA DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO” T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO – ELECTRICISTA AREA INDUSTRIAL PRESENTA: FRANCISCO JAVIER SÁNCHEZ NEGRÓN ASESOR: ING. CASSIODORO DOMINGUEZ CRISANTO MEXICO 2006 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Índice Introducción I. EL DISEÑO, SUS OBJETIVOS, PROCESOS Y METODOLOGÍAS ¿Qué es el diseño? Objetivos del diseño La necesidad de diseñar El proceso de diseño Estrategias y metodología del diseño Evaluación del diseño II. LAS MÁQUINAS DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO Plásticos Máquinas de inyección de plástico Proceso de inyección de plásticos Accesorios y complementos III. DISEÑO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE INYECCIÓN Introducción Cilindro hidráulico de inyección Base soporte del cilindro de inyección Émbolo de inyección Patas o postes de sustentación IV. DISEÑO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE PLASTIFICACIÓN Y MONTAJE DE MOLDES Cámara de plastificación Base soporte de la cámara de plastificación Boquilla de inyección Platina fija Platina móvil V. DISEÑO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE CIERRE Cilindro hidráulico de cierre Placa soporte del cilindro hidráulico de cierre Husillo de cierre Pernos guía de la platina móvil Placa guía del husillo de cierre Pernos guía de la platina fija Husillo sin fin Placa guía del husillo sin fin Manivela Bastidor soporte de la máquina CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA 1 INTRODUCCIÓN El desarrollo de la ingeniería a originado un incremento acelerado del conocimiento y de muchas aplicaciones practicas de diversas disciplinas que apoyan a la ingeniería en todas sus áreas de especialización, teniendo un impacto muy poderoso particularmente en aquellas ciencias y disciplinas que corresponden tanto a la ingeniería mecánica como a la ingeniería industrial, áreas donde se estudian y se llevan a la práctica muchos conocimientos que son fundamentales para la fabricación de componentes, productos o artículos metálicos y no metálicos. En las instituciones educativas de nivel superior, llevar a la práctica los conocimientos de las ciencias y disciplinas de la ingeniera mecánica e industrial, implica serios problemas, porque ello requiere de una infraestructura muy especializada, que generalmente tiene un costo muy elevado difícil de conseguir por estas instituciones; sin embargo, los estudiantes de estas materias tienen que acceder al conocimiento práctico de ellas y por eso se hace indispensable crear la infraestructura necesaria para este fin, sin importar las restricciones financieras que se tengan. En afán de colaborar para proporcionar los medios que hagan factible llevar a la práctica los conocimientos teóricos, alumnos y maestros de la FES Aragón se han dado a la tarea de diseñar y construir máquinas y herramientas, equipos y aparatos que ayuden a satisfacer esta necesidad; por eso el objetivo específico de éste proyecto de tesis es: “diseñar el prototipo de una máquina didáctica de inyección de plástico” Esta máquina permitirá realizar las prácticas de inyección de plástico que corresponden a las asignaturas: “Procesos de conformado de materiales” y “Procesos de manufactura” correspondientes a la curricula de las áreas de ingeniería mecánica e ingeniería industrial respectivamente. El proyecto de diseño y fabricación de la máquina didáctica de inyección de plástico se justifica plenamente, ya que su fabricación además de permitir la realización de las prácticas de conformado de materiales, reduce considerablemente el problema de financiamiento, puesto que su costo de diseño y fabricación dentro y aun fuera de las instalaciones de la FES Aragón, es sensiblemente más bajo que el que se tendría al comprar una máquina de marca por fabricantes nacionales o extranjeros. El desarrollo del presente trabajo de tesis esta integrado de tal manera que: En el capítulo uno, el lector podrá conocer la teoría general, relativa a los objetivos del diseño, así como a los procedimientos y metodologías diversas empleadas para realizarlo. En el capítulo dos, se estudian las características y propiedades básicas sobre los plásticos y las máquinas existentes en el mercado que se utilizan para inyectarlos. En el capítulo tres, se aborda el diseño del sistema de inyección integrado por diferentes partes componentes que realizan esta función como es el caso del cilindro hidráulico, de su base soporte y del embolo de inyección entre otras partes. 2 El capítulo cuatro corresponde al diseño del sistema de plastificación integrado por la cámara de plastificación, su base soporte, la boquilla de inyección y las platinas. Por ultimo, el capítulo cinco corresponde al diseño del sistema de cierre, integrado por un cilindro hidráulico, su placa soporte, husillos para las platinas placas guías de la platinas, entre diversos componente, finalizando con este último el diseño de la máquina didáctica de inyección de plástico. 4 CAPITULO I: EL DISEÑO, SUS OBJETIVOS, PROCESOS Y METODOLOGIAS 1.1. ¿QUÉ ES EL DISEÑO? La palabra diseño proviene del término italiano disegno, que significa delineación de una figura, realización de un dibujo. En la actualidad, el concepto diseño tiene una amplitud considerable, de tal modo que especifica su campo de acción acompañándose de otros vocablos. Así se tiene: diseño industrial, diseño artesanal, diseño gráfico, diseño textil, diseño mecánico, diseño estructural, etc. Muchos son los que consideran a Leonardo da Vinci como el primer diseñador1. Además de sus ingenios y sus numerosos estudios científicos sobre anatomía y óptica, está considerado como el precursor de una mecánica elemental (de este modo confeccionó por ejemplo un libro de elementos de las máquinas). Sin embargo, sus objetos prácticos, sus ingenios y sus mecanismos nos hablan más de un técnico que de un diseñador preocupado por la creación formal. Seguramente partiendo de esta tradición, el Oxford English Diccionary del año 1588 menciona por primera vez el concepto de diseño y lo describe como: - Un plano o un boceto concebido por un hombre para algo que se ha de realizar. - Un primer boceto dibujado para una obra de arte…(o) un objeto de arte aplicada, necesario para la ejecución de la obra. Durante los años 1950-1960, en muchos países industrializados comenzaron a publicarse los primeros escritos sobre métodos de diseño2. Antes de esa época, se entendía por diseño la labor que los arquitectos, ingenieros y diseñadores llevaban a cabo con objeto de producir los dibujos necesarios tanto para los clientes como para los fabricantes. Ahora las cosas han cambiado. Hay cantidad de diseñadores que dudan de los procedimientos que se les ha enseñado a utilizar y cantidad de nuevos métodos que se han inventado para sustituir a los tradicionales. Una característica común a lascríticas de los métodos tradicionales y a las propuestas de unos nuevos, es el intento de aislar la esencia del diseño y reducirla a un método Standard o receta que pueda ser válida para todas las situaciones. Algunas definiciones y descripciones más recientes sobre diseño son: - El descubrimiento de los verdaderos componentes físicos de una estructura física (Alexander, 1963). - La elaboración de una decisión, de cara a la incertidumbre, con grandes penalizaciones para el error. (Asimow, 1962). 1 Burdek Bernhard E. “Diseño. Historia, teoría y práctica del diseño industrial” Ed. Gustavo Gili. España 1994 Pag 15,16. 2 Jones J. Christopher. “Métodos de diseño” Ed.Gustavo Gili, S.A. Barcelona 1978 Pag, 3 5 - Simular lo que queremos construir (o hacer), antes de construirlo (o hacerlo), tantas veces como sea necesario para confiar en el resultado final (Booker, 1964). - El diseño técnico es la utilización de principios científicos, información técnica e imaginación en la definición de una estructura mecánica, máquina o sistema que realice funciones especificas con el máximo de economía y eficiencia (Fielden, 1963). - El diseño es una actividad que se relaciona con las nociones de creatividad, fantasía, inventiva e innovación técnica. El diseño de productos u objetos no tiene lugar sin embargo en el vacío3, como si fuese una combinación libre de colores, formas y materiales. Todo objeto de diseño se ha de entender como resultado de un proceso de desarrollo, cuyo rumbo está marcado por diversas condiciones (no solo creativas), así como por decisiones. Las transformaciones sociales y culturales, el contexto histórico y las limitaciones de la técnica y la producción, desempeñan un papel de igual importancia que los requisitos ergonómicos, sociales o ecológicos, que los intereses económicos o políticos, o las aspiraciones artísticas. Por tanto, dedicarse al diseño implica siempre reflejar en él las condiciones bajo las que surgió. Parece que existen tantas clases de procesos de diseño como escritores hay sobre ello4. Una sorpresa adicional es la no mención del dibujo, única acción común a cualquier tipo de diseñador. Es cierto que las citas precedentes dan una pequeña base a la idea de que el acto de diseño es el mismo en toda circunstancia, los métodos propuestos por los teóricos del diseño son tan diversos como sus descripciones del proceso sugerido. Quizá la variedad tan manifiesta en los escritos sobre diseño sea un indicio útil. Dejando a un lado el dibujo, y partiendo de los modos de pensar convencionales sobre el diseño, es posible que los teóricos, en conjunto, hayan podido producir lo necesario para superar la debilidad del diseño tradicional, “esa cosa variable”, al obtener una mayor variedad de la existente en la experiencia de cualquier diseñador, en cualquier profesión de diseño o en cualquier teórico del diseño. Un dato común de las definiciones precedentes es su referencia no tanto al resultado del diseño como a sus componentes. Éstos, se diferencian tanto como los ingredientes de un libro de recetas, si no más. Si se busca una base más firme para dar una definición de diseño es necesario apartarse del proceso e intentar definir el diseño por sus resultados. Una manera sencilla de hacerlo es buscar al final de una cadena de sucesos que comienza con el deseo del promotor, se mueve a través de las acciones de los diseñadores, fabricantes, distribuidores y consumidores, hasta llegar a las últimas consecuencias de un objeto recién diseñado en el mundo. Cierto que puede decirse que la sociedad o el mundo no son el mismo después de la aparición de un nuevo diseño. El nuevo diseño, si tiene éxito, ha cambiado la situación de la manera esperada por el promotor, pero si el diseño falla, el resultado final no satisfará las esperanzas del promotor ni las predicciones del diseñador, pero todavía se puede considerar como un cambio de uno u otro tipo. En cualquier caso, se puede concluir manifestando que la consecuencia del acto de diseñar es el inicio de un 3 E. Burdek Bernhard. Op. Cit Pág. 117-119. 4 Jones J. Christopher. Op. Cit Pág., 4,5 6 cambio en las cosas realizadas por el hombre. Ésta, al menos, puede ser una sencilla pero universal definición del dilatado proceso que fundamentalmente se lleva a cabo en el tablero de dibujo, pero que ahora incluye investigación y desarrollo (Research and Development), la adquisición, el diseño de producción, la planificación del producto, el marketing, la planificación del sistema y otros. Si se analiza esta definición, se puede observar que es aplicable tanto al trabajo de los ingenieros, arquitectos, y profesionales del diseño como a las actividades de los economistas, políticos, legisladores, gestores, publicistas, investigadores y grupos de presión que intentan obtener productos, mercados, áreas urbanas, servicios públicos, opiniones, leyes para cambiarlos de forma y contenido. Pero en toda esta diversidad, los diseñadores han perdido, bajo las presiones modernas de convertirlos en más científicos, participativos y corporativos, la cualidad especial que los distinguía de aquellos otros dedicados a un trabajo “no creativo”. El diseñador ha perdido su dependencia de la capacidad de dibujar y de la capacidad de previsión de las situaciones futuras en forma visual; ahora las profesiones al margen del diseño pueden planificar sus actividades sobre una base industrial con la utilización de los sistemas hombre-máquina donde sea posible. 1.1.2 El diseño como un arte, una ciencia o algún tipo de matemáticas El diseño es una actividad híbrida que depende para su ejecución con éxito, de una correcta combinación de las tres especialidades mencionadas5, y es más improbable su éxito si lo asociamos exclusivamente a una de ellas. La diferencia fundamental estriba en la consideración del tiempo. Artistas y científicos actúan en el mundo físico presente, mientras que los matemáticos operan sobre relaciones abstractas, independientes del tiempo histórico. Por otro lado, los diseñadores, ineludiblemente, están limitados a tratar como real lo que sólo existe en un futuro imaginado y al tener que especificar caminos mediante los cuales los objetos previstos pueden llegar a existir Es interesante comparar las actitudes, utensilios y criterios empleados en las matemáticas, en el arte y en la ciencia. El objetivo de un científico es la descripción y explicación exactas del fenómeno existente. Su actitud es de escepticismo y duda; sus principales herramientas de trabajo son los experimentos que cuidadosamente lleva a cabo, con objeto de refutar hipótesis, mediante la investigación de una manifestación de la hipótesis opuesta. De la misma manera, un artista, no tiene tanta relación con el futuro como con la realidad presente. Su objetivo es la manipulación, por mera satisfacción, de un medio cuya existencia es simultánea a sus acciones. El mundo de las matemáticas no es un mundo físico, aunque sí racional, preciso y sin tiempo. Cualquier problema cuya existencia esté demostrada y pueda ser representado simbólicamente, se acepta como tal y no existe necesidad de dudas científicas ni de explicaciones. Para el matemático, el problema existe tan pronto como se manifiesta y la solución debe seguir lógicamente el problema. Esta solución que puede representarse mediante símbolos abstractos, debe ser absolutamente correcta y puede poseer una cualidad adicional de “elegancia”. 5 Ídem. Pág. 9,10 7 Una vez examinadas estas tres posibles maneras de actuación, que algunas veces suelen ser confundidas con el diseño, se puede continuar apuntando algunas similitudes y diferencias. Además del conocimiento del presente para poder predecir el futuro, el diseñador necesitala duda científica y la habilidad para establecer y observar los resultados de un experimento controlado. Pero cuando el diseñador está tratando con el futuro mismo, como oposición al presente, la duda científica no es de mucha utilidad y tiene que emplear algún otro ingrediente más cercano al acto de fe. El método artístico es adecuado cuando el diseñador tiene que encontrar su camino a través de un amplio número de alternativas, a la vez que investiga un nuevo y consistente modelo sobre el cual basar sus decisiones. En estas ocasiones es necesario operar a la velocidad del pensamiento, con objeto de dar una rápida respuesta al medio que representa la forma del problema. Tradicionalmente, estos medios han consistido en bocetos dibujados rápidamente y en exactos cuadros mentales de diseños provisionales. El método matemático consiste en situar los presupuestos en unos cuantos símbolos abstractos y manipularlos para encontrar una solución, es válido para el diseñador siempre y cuando el problema esté centrado y los presupuestos de partida no tengan que ser cambiados al resolver los conflictos entre las intenciones y los detalles. Pero debido a que los cambios introducidos en el problema para hallar una solución, son la parte más difícil y desafiante del diseño, es justo decir que el método matemático tiene validez para una situación óptima; es decir, para hallar la solución más correcta a un problema previamente definido. Cuando un problema de diseño puede definirse matemáticamente, éste puede resolverse de manera automática en un ordenador sin la necesidad de la intervención humana. 1.1.3 La evolución artesanal El artesano, sus medios de producción y sus procesos son tan viejos como el hombre. En las primeras sociedades humanas, la prehistoria nos muestra como sus organizaciones primitivas incluían dentro de sus actividades primordiales, la producción artesanal de bienes para satisfacer necesidades básicas (recipientes para la cocción de los alimentos, armas para la cacería, implementos para el cultivo de tierras, calzado, vestido, etc.) del individuo o de su familia; los excedentes de dicha producción eran llevados por los mercaderes a otras comunidades próximas o lejanas, para intercambiarlos por otros básicos que en sus comunidades no se tuvieran. La producción artesanal se fue diversificando para producir otros bienes de consumo que requerían un proceso artesanal cada vez más complejo para satisfacer necesidades básicas, pero también de ornamentación y de lujo en sociedades de gran desarrollo económico. El proceso artesanal producía objetos hermosos y complejos pero que pudieran resultar incorrectos para un diseñador contemporáneo muy cualificado6. Los productos artesanales 6 Idem Pág. 13 8 parecían tener también un cierto aspecto orgánico proveniente de las plantas, animales y otras formas naturales. Lo sorprendente es que la complejidad bien organizada de un hacha, de carro de granja, o de un violín, pudo obtenerse sin la ayuda de un diseñador técnico y también sin directivos, vendedores, ingenieros de producción y muchos otros especialistas de la industria moderna. Es igualmente sorprendente que un inculto artesano, con sólo sus herramientas de trabajo gobernara un proceso evolutivo sin nada equivalente a un código genético, del que tomara las formas complejas que reproducía. Sin embargo, bajo la aparente sencillez de un trabajo artesanal primitivo, hay oculto un sutil y veraz sistema de información-transmisión que, probablemente, sea más eficaz que el diseñar mediante dibujo, y comparable en muchos aspectos con otros nuevos métodos. La combinación de ignorancia y de sabiduría del artesano puede producir elementos que un científico encontraría difícil explicar y en los que el ojo artístico puede percibir un alto nivel de organización formal7; se pueden deducir las siguientes ideas acerca del funcionamiento de la evolución artesanal. 1. Los artesanos no dibujan sus trabajos –y a menudo no pueden hacerlo-, ni pueden dar razones apropiadas sobre las decisiones que toman. 2. En muchos países, la forma de un elemento artesanal está modificada por incontables errores y aciertos mediante un proceso de tanteo. Esta lenta y costosa investigación secuencial de las “líneas invisibles” de un buen diseño, finalmente puede producir un asombroso resultado, bien equilibrado y adecuado a las necesidades de los usuarios. 3. La evolución artesanal también puede producir características discordantes. 4. El acopio de información esencial, generada por la evolución artesanal, es principalmente la forma del propio producto, sin cambios excepto para corregir los errores o encontrar nuevas demandas. La información fragmentaria se almacena en forma de modelos y también en forma de recuerdos exactos, captados durante el aprendizaje, de las acciones necesarias para llevar a cabo la forma tradicional de los productos. Esta información acumulada puede decirse que suministra el “código genético” del cual depende la evolución artesanal. 5. Actualmente, los datos más importantes en el diseño son la forma total del producto y las razones de la misma; en un medio artesanal, éstas no se recuerdan mediante símbolos y, por tanto, no pueden ser investigadas y alteradas sin improvisados experimentos con el propio producto. Tales experimentos ocasionan la pérdida de un balance pacientemente creado y adecuado de los primeros diseños, aunque estos experimentos se llevan a cabo únicamente cuando no es posible encontrar nuevas demandas mediante una evolución gradual. Las conclusiones más importantes para intentar obtener un control colectivo sobre la evolución de los elementos hechos por el hombre, pueden resumirse en que ni el diseñador ni el tablero de dibujo, en el que las partes se van ajustando unas a otras, son elementos esenciales para una evolución de las formas complejas, aunque estén bien adecuadas a las 7 Idem Pag. 17,18 9 circunstancias de su utilización. Hay por tanto, posibilidades de éxito para la idea de diseñar a través de las acciones combinadas de muchos expertos (aun cuando por el momento es muy difícil relacionar las acciones de un experto con las de otros y con el modelo constantemente cambiante del problema). 1.2 OBJETIVOS DEL DISEÑO El objetivo tradicional del diseñador era la producción de unos dibujos tanto para la aprobación del cliente como para la instrucción del fabricante8. La nueva definición del diseño como el inicio del cambio en las cosas realizadas por el hombre supone que existen otros objetivos que deben incorporarse antes de completar los dibujos e incluso antes de empezarlos. Si el objetivo para el elemento que se dibuja es conseguir los cambios prescritos, los diseñadores deben tener capacidad para predecir los efectos fundamentales de sus diseños tanto como de especificar las acciones necesarias para la consecución de esos efectos. De esta manera, los objetivos del diseñador están menos relacionados con el producto mismo y más con los cambios que los fabricantes, distribuidores, usuarios, en definitiva la sociedad total, espera hacer para adaptarse y beneficiarse del nuevo producto. Este punto de vista sobre el diseño, esta considerado como la elaboración de una larga cadena de especificaciones y predicciones interrelacionadas. El proceso de cambio en los elementos realizados por el hombre se describe como una serie de sucesos que comienzan con el abastecimiento de materiales y componentes del producto y finaliza con la introducción de sus efectos evolutivos sobre la sociedad de la que el nuevo diseño forma ya parte. Cada uno de los sucesos elabora una etapa de la historia de la vida del producto y cada etapa depende de la anterior. Ni los promotores del nuevo producto ni sus diseñadores tienen una parte directaen la vida del producto: su control cesa antes de que comience el proceso de producción. Los promotores dan una vaga idea de la situación futura requerida para que el mundo la adopte. Por unos u otros medios ha de predecir el comportamiento y la respuesta en cada etapa de la vida del producto. Esto lo lleva a cabo utilizando algún tipo de modelo y extrapolando, desde el comportamiento pasado, en presencia de los diseños existentes, al comportamiento futuro, en presencia de nuevos diseños. El problema fundamental consiste en que el diseñador está obligado a utilizar una información actual para poder predecir una situación futura que no se posibilitará a menos que sus predicciones sean correctas9. El resultado final del diseño tiene que ser conocido antes de que los medios de realización hayan sido explorados: el diseñador tiene que trabajar retrocediendo en el tiempo, desde un supuesto efecto deseado para el mundo, al principio de una cadena de sucesos cuyo final será el efecto buscado. Si como es probable, el acto de seguir las etapas intermedias expone a dificultades imprevistas o sugiere mejores objetivos, el modelo del problema original puede cambiar tan drásticamente que el 8 Jones J. Christopher Pág. 5, 6 9 Idem Pag. 8, 9 10 diseñador tenga que replantearlo de nuevo. Esta inestabilidad del problema es lo que convierte al diseño en una empresa difícil y fascinante para los no iniciados. El cometido del equipo de diseño es asegurar que cada uno de los muchos elementos de los que el promotor ha de estar seguro, tenga dos características: - Esté dentro de la capacidad de los suministradores, productores y distribuidores, etc., en cada etapa de la vida del producto. - Sea compatible con lo que precede y lo que le sigue. Las considerables dependencias entre puntos distantes en la historia de la vida del producto hacen difícil la labor del diseño sin muchos retrocesos y puntos muertos. El papel de la imaginación, el triunfo de la brega de los diseñadores, les capacita para evitar las incompatibilidades entre unas etapas y otras, introduciendo cambios en sus intenciones originales y sustituyendo éstas por otras igualmente satisfactorias. Esta sensibilidad en las intenciones al concretar las decisiones, hace imposible o difícil resolver los problemas de diseño de manera totalmente lógica, aunque esto no impide su solución dentro del adaptable mecanismo del cerebro humano. 1.3 LA NECESIDAD DE DISEÑAR La razón de ser del diseño industrial se encuentra en los productos industriales10, por los cuales entendemos son el grupo de atributos tangibles e intangibles que incluyen el envase, el color, el precio, la calidad y la marca; más los servicios, la reputación del vendedor, etc., constituyendo un producto sistema. Todo lo cual debe ser diseñado y desarrollado en el contexto empresarial para su fabricación en pequeñas o grandes cantidades. La principal necesidad de diseñar se basa en los productos que un promotor o los clientes solicitan para satisfacer alguna necesidad o requerimiento. La forma de un producto es una variable como otros de sus atributos11. Los productos son diseñados para servir a los clientes, y en la elección del mismo se deben evaluar diversas opciones y seleccionar la que mejor satisfaga las necesidades de un mercado determinado. Una singularidad del producto relacionado con el diseño es la “complejidad técnica del producto”; esta complejidad puede devenir por el número de piezas, conjuntos y subconjuntos, por el gran número de funciones que soporta, por el elevado número de tecnologías que puede conllevar en su diseño y fabricación, por sus parámetros dimensionales, etc. 10 Aguayo González Francisco, Soltero Sánchez Víctor M. “Metodología del Diseño Industrial. Un enfoque desde la Ingeniería Concurrente” Ed. Alfa Omega. México 2003 Pág. 3 11 Ídem. Pág. 10, 11 11 1.4 EL PROCESO DE DISEÑO Por proceso de diseño de un producto se entiende el conjunto de actividades de su ciclo de vida y las relaciones entre ellas12, que deben llevarse a cabo para elaborar la información que determine: cómo será el producto, cómo se fabricara, cómo se utilizara, cómo se le dará mantenimiento, cómo se reciclara y cualquier aspecto relacionado con su ciclo de vida; todo ello, a partir de las especificaciones iniciales del mismo y con la continua participación del cliente a lo largo del proceso. Por proceso de diseño y desarrollo de un producto se entiende el conjunto de procedimientos que están asociados a las tres primeras etapas del ciclo de vida de un producto, así como el resto de las etapas, cuando el propósito de su rediseño se orienta bajo un enfoque estratégico por eficiencia en costos, innovación, etc. Los motores del proceso de diseño y desarrollo son: - Las nuevas demandas del mercado o posibilidades de nuevas tecnologías. - La mejora continua de los productos existentes. - El rediseño del día a día de I+D (Investigación + Desarrollo), para que la producción fluya sin sobresaltos o atienda a moderadas variaciones del mercado. - La eficiencia en reducir costos es otro de los factores que ha de ser considerado como motor del diseño o rediseño de productos. Los planes estratégicos de las empresas son, sin lugar a dudas, una fuente de activación del proceso de diseño y desarrollo del producto (PDDP), dentro de éstos pueden estar la diversificación o la innovación. Según el modo que en que se vayan desarrollando las actividades, se conciben dos modelos de diseño y desarrollo de productos que son: - Modelo de ingenierías secuenciales. - Modelo de ingeniería simultánea o concurrente. 1.4.1 Modelo de PDDP por Ingeniería Secuencial Basándose en los análisis efectuados a las fases, que en un proyecto condicionan la toma de decisiones, que afectan más a la calidad, al costo, y a la facilidad de fabricación del producto final, los estudios provenientes de gran numero de empresas ponen de manifiesto que la fase de diseño representa sólo un 5% de los costos de algunos proyectos de productos. A pesar de ello, fijará el 85% de los costos de calidad y de facilidad de fabricación del producto. El admitir este hecho es lo que ha llevado a muchas empresas a involucrar en las fases iniciales del proyecto a los departamentos de producción y calidad, sin embargo, esta circunstancia no ha sido considerada en los modelos tradicionales de PDDP conocidos como Ingeniería secuencial. 12 Ídem. Pág. 12-18 12 Analizándose este método de diseño y desarrollo de producto vemos como el departamento de Marketing llega con una serie de deseos y requerimientos del mercado, que los pone en manos del departamento de Ingeniería de diseño del producto. Sus ingenieros entregan los planos correspondientes a los ingenieros de producción, que a su vez comienzan a elaborar el proceso y a seleccionar los medios de producción; seguidamente estos entregan el proyecto al departamento de calidad, para que se encargue finalmente de los procedimientos de ensayo e inspección. Este modelo del PDDP conduce a que se den una gran cantidad de rework en cada departamento, es decir, realizar trabajos sobre otros efectuados deficientemente con anterioridad, por no haberse realizado teniendo en cuenta todos los condicionantes con que cada departamento acota la solución. Como consecuencia, pueden generarse diseños que no puedan ser fabricados, que tengan requerimientos de utillaje muy costosos, o que incorporen materiales que no pueden suministrar los proveedores habituales. Esta situación se puede obviar si se considera al siguiente eslabón o departamento como una especie de consumidor, de modo que igual que al consumidor final es necesario suministrarle calidad, se hace necesariotambién para obtener eficiencia en PDDP, suministrar calidad a nuestro próximo eslabón o departamento. Una característica del proceso de diseño es que cambiar algo en la fase de concepción del producto cuesta muy poco dinero, mientras que en la fase de prototipos es del orden de cien veces más costoso, y que al comienzo de la producción incluso más, todo ello debido a que el diseño es más inflexible a medida que nos acercamos a la fase de lanzamiento. 1.4.2 Modelo de PDDP por Ingeniería Concurrente Con el objeto de reducir la duración y el costo del proyecto, surgió el modelo de PDDP con la tecnología de ingeniería concurrente, basado en el trabajo en equipo, en el que se tuvieran en cuenta las capacidades y demandas de todos los departamentos, tan pronto como fuera posible, a fin de considerarlas desde la concepción del producto, incluso involucrando a los proveedores de componentes y medios de producción. Ingeniería concurrente se puede definir como un Sistema Organizativo del Proceso de Diseño y Desarrollo de productos, destinado a acortar el tiempo de diseño del producto mediante la planificación simultánea del diseño y desarrollo del producto y del proceso de producción, buscando la convergencia sinérgica de todas las funciones y agentes implicados en el PDDP, su fabricación y, si fuera necesario, de su ciclo de vida. De este modo es habitual que los proveedores de los medios de producción trabajen en paralelo con el departamento de producción durante el desarrollo del producto, que a su vez trabaja en equipo con la oficina de diseño, pudiendo definir los medios de producción con antelación. Los resultados son tiempos de desarrollo y costo más bajos. La peculiaridad estriba en la paralelización de actividades, la validación de soluciones para todo el ciclo de vida y las sinergias grupales. Se obtiene así un producto de mayor calidad, con costos menores y en menor tiempo, facilitando la innovación del producto y del proceso; todo lo cual supone una ventaja competitiva para aquellas organizaciones que la implementan. 13 En este enfoque, van a ser aspectos clave: a) Los equipos de trabajo de ingeniería concurrente que desarrollan los proyectos. b) Los equipos de coordinación y de revisión que actualizan los proyectos en estado de revisión y activan la siguiente fase. c) La simultaneidad o solapamiento de las fases que eran secuenciales en el modelo de ingeniería secuencial. d) La tendencia a la máxima paralelización de las tareas. 1.4.3 Sistema de información y base de datos para el proceso de diseño concurrente Una buena comunicación es siempre importante13, a la vez que una infraestructura de comunicación posibilita que los empleados tengan un vínculo de comunicación de ideas, especificaciones y procesos que faciliten la realimentación. El proceso de diseño y desarrollo de productos industriales, cada vez se beneficia más del apalancamiento de las tecnologías informáticas14. Actualmente existen aplicaciones informáticas, como los sistemas PDM (Product Data Management), que posibilitan el trabajo colaborativo de los distintos integrantes de los grupos propios de la Ingeniería Concurrente desde distintos lugares físicos. El uso de sistemas PDM integran todos los procesos y herramientas15, de acuerdo a los distintos propósitos y necesidades de los integrantes de ingeniería concurrente y otros departamentos de la empresa. El PDM es la herramienta que guarda los datos de forma segura, permite un seguimiento del manejo de los datos durante el PDD, asiste a la gestión del proceso y da acceso controlado a todos los datos generados en los procesos anteriores, documentos de especificación, microfichas, notas, facturas de material, ensayos de piezas, etc. En la incorporación de tecnologías de la información a los equipos de ingeniería concurrente se tiene como primera fase el uso de una base de datos distribuida por cada uno de los departamentos funcionales, al que los equipos de ingeniería concurrente tienen que acceder para compartir la información. El siguiente paso consiste en una base de datos del producto que comparten los distintos departamentos funcionales según la vista que le fijó el administrador del sistema de información, junto con herramientas de trabajo en grupo y otras técnicas. A través de estas funciones, un sistema PDM permite conectar las informaciones propias a diversas aplicaciones y especialmente sirve de puente entre diversas partes de estudio, producción, marketing, compras, departamentos financieros o servicio al cliente. 13 Ídem. Pág. 56. 14 Aguayo González Francisco, Soltero Sánchez Víctor M. Pág. 22 15 Ídem Pág. 85, 95 14 1.5 ESTRATEGIAS Y METODOLOGÍA DEL DISEÑO 1.5.1 Estrategias de diseño El termino “estrategia de diseño” describe una serie de acciones propias del diseñador o del equipo de planeamiento que tienen como objetivo la transformación de una orden inicial en un diseño final16. Las acciones que componen una estrategia de diseño pueden haber sido decididas de antemano o cambiadas de acuerdo con los resultados de las acciones previas. Cada acción de diseño consiste en lo que el diseñador elija: algunas de las acciones serán nuevos métodos desarrollados, algunas serán acciones tradicionales tales como croquis o dibujos a escala, y otras serán nuevos procedimientos inventados por el diseñador. Cuando un método de diseño es suficiente para la resolución de un problema, a este método se le da el nombre de estrategia, pero muchos de algunos nuevos métodos resultan insuficientes para una resolución total del problema, y por lo tanto se clasifican como acciones componentes de una estrategia. La analogía con las estrategias militares puede inducir a error, es mejor pensar en la estrategia como una lista de métodos que uno intenta utilizar. 1.5.2 La evolución de la metodología del diseño Los primeros estudios sobre la metodología del diseño se remontan a principios de los años sesenta17. El programa de formación de algunas escuelas de diseño prestaba especial atención a este campo. Esta situación venía motivada por la gran cuantía de encargos completamente nuevos, que la industria hacía a los diseñadores. Christopher Alexander (1964), uno de los padres de la metodología del diseño, formulo cuatro argumentos a favor de la necesidad de dotar de método al proceso proyectual: - las dificultades que surgen en torno a un proyecto se han vuelto demasiado complejas para afrontarlas de forma puramente intuitiva; - la cantidad de información necesaria para la solución de estas dificultades se dispara hasta tal punto que un diseñador, en solitario, no puede reunirla, ni mucho menos elaborarla; - el número de problemas proyectuales se ha multiplicado rápidamente; - la clase de problemas de este tipo se transforma a un ritmo más rápido que en otros tiempos, de forma que apenas se puede recurrir a experiencias avaladas por el tiempo. A menudo se suponía de forma falsa que la finalidad del estudio de la metodología del diseño era el desarrollo de un método unitario y estricto. Al decir esto se ignoraba que encargos diferentes requerían métodos diversos, y que al comienzo de todo proceso proyectual debe plantearse la cuestión decisiva de que métodos se han de emplear para enfocar cada problema. El despliegue metodológico necesario para el rediseño de un objeto de uso poco complejo, por ejemplo, es claramente menor al necesario para el desarrollo de 16 Jones J. Christopher. Op. Cit Pág. 67, 68, 69 17 Burdek Bernhard E. Op. Cit. Pág 155 15 complejos sistemas. La metodología del diseño estaba acuñada por el principio de que, antes de empezar a transformar o a rediseñar, se debía conocer bien de qué se trataba. Hoy en día se puede calificar retrospectivamente esta fase inicial comoel paradigma analítico de la arquitectura o también del diseño (Tzonis, 1990). La teoría y la metodología del diseño adoptan aquí una actitud imparcial18, ya que sus esfuerzos apuntan en último término a la optimización de métodos, reglamentos y criterios, con cuya ayuda se debe estudiar objetivamente, valorar y mejorar la práctica de esta disciplina. Visto más de cerca se puede observar que el mismo desarrollo de la teoría y de la metodología también sigue las pautas de las condiciones culturales, históricas y sociales. Teorizar sobre diseño significa por tanto en primer lugar consagrarse a una teoría del conocimiento. La teoría y la metodología del diseño se desarrollan en base a determinadas hipótesis de fundamento y condiciones previas, que en la mayor parte de los casos se sobreentienden y se ignoran. La dedicación a la teoría del diseño significa, por lo tanto, ocuparse también de las nociones que sirven de soporte al proceder metódico o al concepto creador. La metodología del diseño contribuyó de forma considerable a la estabilización de la disciplina en los años sesenta. Después de la segunda guerra mundial dio comienzo en los países industrializados de Europa una gran expansión económica, que la competencia de los países con economía de mercado convirtió en una lucha encarnizada por el mercado internacional. En esta situación el diseño industrial tuvo que adaptarse a las condiciones cambiantes, es decir, no pudo seguir poniendo en práctica métodos creativos subjetivos y emocionales que procedían de la tradición del diseño artístico, en tanto que la industria empezó a racionalizar cada vez más el proyecto, la construcción y la producción. Por ello los diseñadores industriales se esforzaron obviamente en integrar métodos científicos en el proceso proyectual para poder ser aceptados por la industria como interlocutores serios. Gracias a un encendido debate sobre la metodología, el diseño devino prácticamente por vez primera enseñable, asimilable y por tanto comunicable. La gran trascendencia posterior de esta metodología para la enseñanza consiste en que gracias a ella se imparte el pensamiento lógico y sistemático. El hilo conductor de la metodología clásica es la idea de la “reducción de la complejidad”. Precisamente, los encargos cada vez más amplios con los cuales el diseñador tenía que enfrentarse en los años sesenta, hicieron necesario el desarrollo de métodos para analizar toda la diversidad de parámetros de la tarea a realizar. Los procedimientos racionalistas se adecuaban perfectamente a esta necesidad. La teoría de los sistemas se consideró como una disciplina de importancia que podía ser de gran ayuda para el diseño. El esfuerzo por definir el proceso proyectual en sentido histórico-conceptual, condujo a un contacto a nivel de idea con el pensamiento cartesiano, o lo que es lo mismo, la filosofía del racionalismo se convirtió en el modelo de la metodología del diseño. Se adoptaron o modificaron métodos y técnicas derivados de la teoría científica, para que el diseñador pudiese proseguir su camino de usuario científico. La tendencia a la integración de 18 Ídem. Pág. 117 - 119 16 conocimientos de diferentes disciplinas, como la ergonomía, la psicología, la sociología, la economía, etc., estaba motivada por el intento de asentar la todavía difusa disciplina del diseño sobre un fundamento sólido. El diseñador mismo fue considerado como proyectista y generador. Al inicio, el desarrollo de un conocimiento específico del diseño era poco acusado. Esta situación cambió realmente a partir de los años setenta, cuando la elaboración de una teoría comunicativa del producto condujo a una estabilización disciplinar del diseño. La metodología clásica del diseño se puede calificar como una metodología de la carencia. Se trataba siempre de analizar carencias sociales o funcionales de productos y, en base a ellas, proponer, juzgar y llevar a cabo nuevas soluciones. Mas tarde, en los años setenta, el diseño se inclino más hacia la problemática de lo superfluo. La tremenda demanda de la posguerra había quedado atrás definitivamente, y dio comienzo la dedicación a necesidades de consumo diferenciadas. Con ello otros métodos adquirieron trascendencia, como por ejemplo las interpretaciones sobre la escala de valores sociales, los debates sobre el estilo de vida, o los procedimientos asociativos de la psicología publicitaria, que se trasladaron al diseño. A mediados de los años ochenta, el diseño se enfrentó nuevamente a tareas que hasta el momento le eran completamente desconocidas. Por un lado está la visualización de la microelectrónica, por otro lado, el campo del diseño de software cobro una mayor importancia. Además la tarea del diseñador cambio de forma dramática desde el momento en que, mediante el empleo de nuevas tecnologías, en particular del CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing), se establece una relación directa entre proyecto y producción. En la actual fase de introducción de estas nuevas tecnologías será necesario aceptar restricciones considerables en el grado de libertad creativa a causa de las condiciones del sistema. 1.5.3 El diseño mediante el dibujo La nueva definición del diseño como “la iniciación del cambio en la cosas realizadas por el hombre” incluye no solo el proceso de producción de dibujos sino también la vida completa del producto como parte integrante del proceso de diseño19. Este amplio punto de vista difiere de la idea convencional del diseño como una actividad, ligeramente artificial, de unos hombres que trasladan obedientemente las necesidades prácticas a dibujos de productos que gustan al cliente y puede costearlos. La nueva definición del diseño no excluye esta visión, pero permite ver que el artesano no es el prototipo original del moderno diseñador y planificador. El primer iniciador del cambio en las cosas realizadas por el hombre no es el creador de dibujos sino el creador de objetos, el artesano hábil, el “diseñador” que toma el relevo de la evolución natural. Por tanto, es útil y apropiado comparar los nuevos métodos de diseño no sólo con la tradición reciente del diseño mediante el dibujo, sino también con los métodos más primitivos de la evolución artesanal. 19 Jones J. Christopher. Op. Cit Pág. 13 17 La diferencia fundamental entre éste, el método normal de evolución de las formas de los elementos hechos por la máquina, y el método primitivo de evolución artesanal20, consiste en que el método de tanteo está separado de la producción al utilizar la escala del dibujo en vez de del propio producto como medio de experimentación y cambio. Esta separación entre pensamiento y elaboración del producto tiene importantes consecuencias. 1. La especificación de las dimensiones antes de la fabricación del producto hace posible dividir el trabajo de producción en diferentes partes, de manera que puedan llevarlas a cabo varias personas. Esta “división del trabajo” es la fuerza y la debilidad de la sociedad industrial. 2. Inicialmente, la ventaja de dibujar antes de fabricar hizo posible el planteamiento de elementos demasiado grandes para un único artesano, tales como grandes edificios y barcos. Solamente cuando las dimensiones críticas se han fijado de antemano, se puede conjuntar el trabajo de muchos artesanos. (Normalmente, un artesano efectúa una serie de pequeñas y opuestas variaciones en un continuo proceso de adaptación de unas a otras, resultando que nunca serán iguales dos de sus productos). Los dibujos a escala se pueden considerar como un trabajo conjunto de partes aisladas del producto, con una imagen constantemente presente de él, que originalmente se registraron como dimensiones recordadas, como modelos y como reglas empíricas. 3. La división del trabajo hecha posible porlos dibujos a escala, puede utilizarse para incrementar no sólo el tamaño de los productos, sino también la productividad. Un producto que a un artesano le tomaría varios días fabricarlo, podemos dividirlo en componentes más pequeños estandarizados de fabricación simultánea, que únicamente tomaría unas horas o minutos realizarlo mediante un trabajo manual repetitivo o a máquina. De nuevo, existe la necesidad de fijar de antemano las dimensiones que un artesano dejaría indecisas para concederse un espacio de maniobra, al adoptar entre si los diferentes elementos y al hacer sutiles concesiones a las peculiares necesidades del usuario. Ésta es la razón por la que la división del trabajo impone la pérdida de esa cualidad que hace pensar que los productos artesanales pertenecen a los “buenos viejos tiempos”. Naturalmente, el resultado de todo lo precedente consiste en invertir los términos, trasladando toda la dificultad intelectual y la amenidad propias de la fabricación a las personas encargadas de elaborar los dibujos. El diseño, como profesión, comienza su existencia. El cambio de la artesanía a la delineación es en muchos aspectos similar al cambio actual del diseño a la investigación del diseño. La consecuencia de concentrar todos los aspectos geométricos de la fabricación en un dibujo, es la posibilidad de obtener un mayor “campo perceptual” para el diseñador, si se compara con el artesano. El diseñador puede ver y manipular el diseño como concepción total, y ni el conocimiento parcial, ni el alto coste de la alteración del propio producto, le impiden efectuar cambios drásticos en el diseño. Utilizando la regla y el compás, o cualquier software de diseño, rápidamente puede imaginar las trayectorias de las partes móviles y predecir las repercusiones que la alteración de una forma parcial produce sobre la concepción total. Ésta es una buena razón del porqué los diseñadores, sobre todo los 20 Ídem Pág. 18 - 20 18 especialistas de la industria moderna, son “integrales” más que “atomistas”, al defender sus creaciones como entidades totales que han de ser aceptadas sin modificaciones o reconsideradas desde el principio. Sólo un diseñador conoce demasiado bien los ciclos frustrantes de replanteamientos antes de haber obtenido el equilibrio sutil de su diseño final. La necesidad de un continuo reciclaje condiciona el progreso del diseñador, obligándole a estudiar cada diseño concreto en vez de comparar simultáneamente varias alternativas. El método tradicional consiste en dibujar repetidas veces las sucesivas variaciones, bien en distintas partes de un papel grande, bien en series de calco o en la pantalla de la computadora, partiendo del esquema o composición original. Normalmente, el punto de partida de un diseñador es un único diseño que puede visualizar mentalmente. Su criterio principal, al comparar una variación con otra, está basado en la consistencia geométrica de las partes, de fácil examen mediante el dibujo. Por tanto, el proceso de diseño mediante el dibujo puede considerarse como una versión acelerada de la evolución artesanal, aunque con una mayor libertad para cambiar varias partes simultáneamente, en vez de emplear una secuencia o producción de cambios. La compatibilidad de un objeto con las situaciones concretas de su fabricación o utilización es otro asunto, y es un punto en que los diseñadores no pisan un terreno tan firme como los artesanos. Esto es debido a que el diseñador tiene que confiar, principalmente, en su memoria e imaginación para saber lo que puede o no puede hacer. Esta dificultad queda superada al obligar al diseñador a trabajar algún tiempo como aprendiz, para, de esta manera, experimentar las características del diseño que son impracticables, costosas o no del gusto del consumidor. El medio por el que un joven diseñador aprende a reconocer los fallos de su trabajo no es ni el mercado actual, ni el proceso de producción, sino mediante los juicios de su jefe. Únicamente los diseños que son aprobados pasan al proceso de producción, aunque muchos más son rechazados dentro de la propia oficina. Gradualmente, un buen asistente aprende a presentar a su superior únicamente los diseños que probablemente acepte como compatibles con su mayor experiencia. Desafortunadamente, ni el superior ni los asistentes tienen un lenguaje exacto con el que describir las situaciones futuras y apreciar mentalmente la idoneidad de un diseño propuesto; el aspecto más débil del dibujo estriba en que no transmite las necesidades del usuario, ni los problemas de fabricación. Esta dificultad se supera fabricando prototipos y modelos de ensayo y analizando la ejecución de las partes críticas. Tales análisis y prototipos son similares a los modelos y dimensiones aisladas que un artesano utiliza para fijar los puntos fundamentales de la red de requerimientos que intenta satisfacer. Es importante hacer notar que el dibujo a escala y las situaciones que ha de fijar el dibujo, sólo pueden ser concebidos por una persona. Ésta es la razón por la que los primeros pasos del diseño están conducidos por una única persona, generalmente un diseñador-jefe o un director de sección. Solamente cuando todos los sub-problemas han sido identificados y resueltos satisfactoriamente por el diseñador-jefe, la división del trabajo se hace posible. 1.5.4 La necesidad de nuevos métodos 19 Los textos de los teóricos del diseño suponen que el tradicional método de diseño mediante el dibujo es excesivamente simple para la creciente complejidad del mundo actual21. Esta creencia está ampliamente aceptada y no necesita justificaciones. Sin embargo, no es tan obvio que algunos métodos nuevos sean mejores. No hay una gran evidencia de que hayan sido utilizados con éxito, incluso por los propios inventores, y hay razones para creer que los nuevos investigadores sobre metodología del diseño recaen, frecuentemente, en procedimientos más familiares, aunque menos adecuados, cuando se encuentran con dificultades. La dificultad normal estriba en la pérdida del control de la situación de diseño, una vez que se ha confiado en un procedimiento sistemático que parece adaptar el problema cada vez menos al proceso de diseño. Esta dificultad recurrente sugiere que los nuevos métodos aparecidos son sólo soluciones parciales a los problemas del diseño moderno. Si éste fuera el caso, se examinaría más detalladamente las razones para abandonar los viejos métodos antes de desarrollar cualquier otro nuevo. De esta manera se puede encontrar que, aunque algunas características de los métodos tradicionales de diseño podrían ser descartadas, otras merecen ser retenidas. La percepción sobre las razones por las que los problemas del diseño moderno tienen una difícil resolución, puede resumirse en la idea de que el espacio de investigación, en el que hay que buscar nuevos sistemas viables, compuestos de productos y componentes, es demasiado grande para una investigación racional y demasiado desconocido para penetrarlo y simplificarlo mediante los juicios de aquellos cuya educación y experiencia se han limitado a profesiones de planificación y diseño. Sin duda, se necesitan diseñadores y planificadores “multiprofesionales”, cuyos saltos de comprensión repentina estén informados por el conocimiento y la experiencia del cambio a todos los niveles, desde la acción de la comunidad a los componentes del diseño. Igualmente, se necesitan nuevos métodos que suministren un espacio suficientemente perceptual a cada uno de estos niveles. 1.5.5 Prototipos rápidos En el ámbito del diseño industrial, por Ingeniería Concurrente22, se entiende por prototipo un modelo físico o virtual de una pieza, subconjunto, mecanismo, producto de las interfaces; realizado con el propósito de suministrar apoyo informacional en las fases del diseño y desarrollodel producto, validar o experimentar sobre alguno de sus requerimientos funcionales o características del mismo. Ha sido el desarrollo de la tecnología de la comunicación, materiales, automatización, técnicas computacionales, ingeniería de software, lo que ha permitido el desarrollo de una tecnología de prototipado que ha recibido la denominación de RP (Rapid Prototyping) Prototipo Rápido. Su importancia viene dada por las posibilidades que ofrece para acortar el ciclo de diseño y desarrollo del producto, contribuyendo decisivamente a la estrategia competitiva de time to market y a dar apoyo informacional a lo largo del proceso de diseño y desarrollo. 21 Ídem Pág. 23, 36 22 Aguayo González Francisco, Soltero Sánchez Víctor M. Op. Cit. Pág. 497 - 504 20 La utilidad de estos prototipos se deriva de la inmediatez de la realimentación informacional proveniente de la evaluación del prototipo rápido para la toma de decisiones en el proceso de diseño, pudiendo verificar las características o requerimientos funcionales en el prototipo rápido y determinando las discrepancias en relación a los objetivos de diseño. Este interés se puede extender a los prototipos virtuales CAD; razón ésta por la que al mismo tiempo se efectúan consideraciones sobre estos prototipos en el diseño de productos y sus interfases, así como su conexión con los prototipos rápidos físicos. Las técnicas de prototipado forman parte de uno de los eslabones de un sistema de diseño y fabricación integrado por ordenador, que a su vez se encuentra íntimamente relacionado y que se complementan con: a) La realización de prototipos CAD (virtuales) tridimensionales, a partir de los cuales se realizan los prototipos físicos rápidos, las simulaciones y análisis. b) Las simulaciones CAE a partir de los modelos CAD 3D para dimensionar, y validar un predimensionado, o bien realizar el dimensionado de elementos bajo condiciones de carga. c) La función a partir de la digitalización y tratamiento geométrico-informático de la nube de puntos, obtenida por máquinas de coordenadas trimensionales para la generación de un modelo 3D en sistema CAD, a partir del cual se generarán ficheros SLT para máquinas de prototipado rápido por estereolitografía u otras técnicas de prototipado rápido. 1.6 EVALUACIÓN DEL DISEÑO Una de las primeras fases de predicción y evaluación de propiedades en el diseño de los productos industriales la constituyen la simulación y los modelos CAD, es decir, los modelos virtuales. Para obtener la mayor cobertura de los objetivos propuestos en el inicio del diseño se deben analizar algunos criterios que deberán ser evaluados. 1.6.1 Evaluación de propiedades en prototipos rápidos Mediante los distintos tipos de prototipos físicos, podemos evaluar las siguientes características o requerimientos funcionales. - Estéticas. Los prototipos rápidos permiten evaluar sobre los modelos físicos distintos atributos estéticos, como son: formas, volumen, proporciones, textura e incluso color. - Dimensionales. Estos prototipos permiten hacer comprobaciones dimensionales, de interferencias, encajes, verificaciones de volúmenes interiores, en el movimiento de un mecanismo y de sus tolerancias. 21 - Funcionales. Existen prototipos cuyo fin es comprobar que un mecanismo realiza los desplazamientos previstos, verificar la fiabilidad del montaje y las tolerancias del producto. - Experimentales. Se trata de evaluar la integridad de las características funcionales o de otro tipo del producto, ante determinadas condiciones de contorno que representan su entorno de trabajo simuladas mediante ensayos de envejecimiento, climáticos o solicitaciones de tipo mecánico, eléctrico, químico, que se aplican sobre prototipos físicos y/o virtuales que dependiendo de los materiales y del tipo de problema se someten a análisis térmico, tensionales, en túnel de vientos, etc. Entre las utilidades que aportan los resultados de estos análisis en los prototipos rápidos están: - Reducir el tiempo de diseño y desarrollo - Reducir el coste de diseño y desarrollo, bien por reducir el tiempo o el número de personas en cada fase de diseño y desarrollo. - Versatilidad de la generación: Consiguiendo variedad de forma, materiales, colores, etc. - Fiabilidad tanto en dimensiones como en características obtenidas en el producto. En cuanto a los contextos en los que se reportan ventajas del análisis en los prototipos rápidos, cabe mencionar: - Diseño conceptual de modelos y como apoyo informacional 3D en cualquier fase del proceso de diseño y desarrollo del producto. - Comercialización: modelos para ofertas, presentaciones, folletos. - Análisis de aptitudes diversas del producto como es: generación de modelos rápidos para análisis en túneles de viento y de tensiones o térmicas. - Creación de herramientas maestras y útiles para muchos procesos de fabricación. - Optimización experimental de diseños. 1.6.2 Prototipos para la evaluación en el proceso de diseño y desarrollo Con el propósito de establecer una clasificación sobre este ámbito, se definen estos términos a efectos de diseño y desarrollo por la Ingeniería Concurrente. - Modelo. Es una representación en algún lenguaje descriptivo, textual, analógico, icónico, matérico, de alguna o varias propiedades de un producto. - Simulación. Es un análisis del comportamiento del modelo bajo unas condiciones de contorno, con el fin de hacer previsiones de forma o función de un producto. - Maquetas. Son representaciones físicas tridimensionales de las propiedades estructurales, formales, estéticas, con materiales de fácil trabajo a escala, y se realizan en las primeras fases de desarrollo y diseño. Reciben también el nombre de modelos estéticos. 22 - Prototipos. Son representaciones o modelos físicos tridimensionales de algunas o todas de las propiedades del producto, que suele recoger toda o parte de la información existente en un estado de diseño, pudiendo llegar a ser a escala 1:1 y con materiales reales o no. Prototipos físicos conceptuales Estos prototipos son de consistencia frágil, bajo el concepto de trozo de papel esbozo 3D, que se arruga y tira una vez cumplida su función, obtenidos en fax o impresora 3D en ambiente de oficina, los materiales para su realización son polímeros atóxicos. Se obtienen proyectando millones de partículas microscópicas de un polímero caliente, que se consolida con el punto de impacto. La tobera tiene cuatro grados de libertad, tres traslaciones y una rotación, que permiten construir cualquier geometría. Prototipos físicos funcionales Son los que permiten realizar los correspondientes montajes de las piezas o elementos con todos sus componentes, así como la comprobación mecánica de su funcionamiento, o de otras propiedades tecnológicas. Una tecnología que permite la obtención de estos prototipos es la sinterización selectiva por láser (SLS-DMT). Prototipos ergonómicos Éstos pueden ser físicos, virtuales de CAD, y sirven para validar la adaptación del producto a usuario. Su escala suele ser 1:1, en otras ocasiones como son modelos virtuales pueden soportar animaciones. Prototipos virtuales Éstos son modelos digitales realizados mediante paquetes de software, los cuales posibilitan integrar aspectos multimedia, que permiten evaluar no sólo la relación física entre usuario y producto de los modelos ergonómicos (antropométrico, biomecánico) sino también los factores cognitivos relacionados con las demandas cognitivas de las interfaces, mediante simulación de tareas, que permiten observar el nivel de complejidad con el que el usuario ha de enfrentarse en el uso del producto, la cantidad de actuaciones fallidas o errores, el tiempo de aprendizaje para un correcto desarrollo de las tareas; en definitiva elgrado de usabilidad que tendrá el producto. Por tanto, estos prototipos virtuales y también los físicos permiten evaluar la usabilidad del producto y sus interfaces, la cual puede definirse y caracterizarse del siguiente modo: Usabilidad: Es la efectividad, eficiencia y satisfacción con la cual un usuario específico logra un determinado objetivo, en un ambiente particular. Los factores mensurables que intervienen en el diseño de un producto, sus interfaces, que se pueden evaluar en un prototipo son: 23 - Capacidad de aprendizaje. El tiempo y el esfuerzo requerido para que un usuario alcance un determinado nivel de ejecución en un sistema dado. - Rendimiento. La velocidad en la ejecución de las tareas, el número y tipos de errores cometidos por el usuario en su realización. - Satisfacción. Medida del confort, la aceptabilidad y la actitud positiva generada por el servicio/sistema en las personas afectadas por su uso. - Flexibilidad. La capacidad del sistema de poder trabajar con diferentes métodos en función del nivel de experiencia del usuario. - Efectividad. El grado de exactitud con que el sistema completa las tareas para las que está diseñado - Eficiencia. Hace referencia al número de pasos que el usuario debe llevar a cabo para completar las tareas. Estos factores pueden ser medidos y evaluados en un prototipo virtual de interfase, o de producto desde el punto de vista objetivo y subjetivo. 24 CAPITULO II: LAS MÁQUINAS DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO 2.1 PLÁSTICOS La necesidad de dar forma (o moldear) al barro, al vidrio y a otros materiales para hacer recipientes u objetos de uso común23, ha estado presente en la vida del hombre desde las más remotas civilizaciones. Con estos materiales, convertidos en “plásticos” mediante procesos de mayor o menor grado de dificultad, se elaboraron objetos que demostraban un gran talento artístico y habilidad en los métodos de fabricación. En el significado moderno el término “material plástico”, se refiere a una serie limitada de materiales no metálicos de naturaleza orgánica, obtenidos de sustancias naturales o sintéticas. Durante la segunda mitad del siglo XIX, las necesidades siempre crecientes de una civilización que se estaba desarrollando sobre bases científicas, impulsan a químicos e investigadores hacía la búsqueda de nuevos materiales para reemplazar las resinas naturales, goma, caucho y fibras textiles, los cuales eran cada vez más difíciles de obtener. El trabajo experimental de los investigadores, respaldado por un conocimiento más consciente de los elementos y compuestos, dio como resultado el descubrimiento, algunas veces accidental, de nuevos productos. A lo largo del tiempo, las resinas naturales conocidas y usadas desde los tiempos antiguos (la colofonia, goma laca, goma de copal, hule natural) fueron sustituidas por las resinas artificiales o sintéticas que entonces aparecieron y que han sido obtenidas por reacciones químicas de sustancias no resinosas. En 1868, John Wesley Hyatt, impresor de Estados Unidos, mientras buscaba un sustituto para el marfil, preparó una mezcla de nitrato de celulosa y alcanfor. Al tratar la mezcla bajo presión y en presencia de solventes, obtuvo una sustancia que llamó “celuloide”, puede ser considerado como el primer material plástico derivado de una sustancia natural, la celulosa, que puede ser obtenida del algodón, la madera u otra sustancia vegetal. 2.1.1 Clasificación de los plásticos Generalmente, los plásticos se clasifican de acuerdo con las propiedades físicas y químicas de las resinas que los constituyen, en dos grupos principales24: termoplásticos y termofijos. Los termoplásticos son resinas con una estructura molecular lineal (obtenida por procesos de polimerización o de policondensación) que durante el moldeo en caliente no sufren ninguna modificación química. 23 Bodini Gianni, Cacchi Pessani Franco. “Moldes y máquinas de inyección para la transformación de plásticos” TOMO I Segunda Edición Ed. Mc. Graw Hill. México 1992 Pág. 1 24 Ídem, Pág. 11 25 La acción del calor causa que estas resinas se fundan, solidificándose rápidamente por enfriamiento en el aire o al contacto con las paredes del molde. Dentro de ciertos límites, el ciclo de fusión-solidificación puede repetirse; sin embargo, el calentamiento repetido puede dar como resultado la degradación de la resina. Las resinas termofijas (también obtenidas por polimerización o policondensación) pueden ser fundidas una sola vez. Las resinas de este grupo se caracterizan por tener una estructura molecular reticulada o entrelazada, se funden inicialmente por la acción del calor, pero en seguida, si se continúa la aplicación, experimentan un cambio químico irreversible, el cual provoca que las resinas se tornen infusibles (es decir, no se plastifican) e insolubles. Este endurecimiento es causado por la presencia de catalizadores o de agentes reticulantes. El grupo de los elastómeros (es decir, polímeros elásticos) comprende los hules naturales (goma o caucho) y todos los hules sintéticos, y se caracterizan por una elongación entre el 200 y el 1000%. Las propiedades elásticas de los hules naturales y sintéticos alcanzan sus valores máximos después de un apropiado tratamiento de vulcanización o curado con azufre o con peróxidos. La vulcanización transforma a la estructura molecular de los hules, los cuales después de ser tratados, se convierten en infusibles y más resistentes a la acción de los agentes químicos. Las propiedades elásticas de los hules se conservan por un largo periodo, si las condiciones ambientales y las temperaturas de trabajo se mantienen dentro de ciertos límites. Dentro del grupo de los elastómeros, en los últimos años se han desarrollado los hules termoplásticos que tienen razonablemente buenas propiedades elásticas dentro de límites de temperatura de operación más restringidos con respecto a los hules vulcanizados. Estos elastómeros termoplásticos no contienen agentes reticulantes y, por lo tanto, no requieren ser vulcanizados. Para moldearlos se usan las mismas técnicas que para las resinas termoplásticas y además, pueden ser reprocesados para volver a usar los desperdicios. 2.1.2 Compuestos para el moldeo de termoplásticos y termofijos (resinas, aditivos, cargas) Un material plástico listo para ser moldeado por inyección o por otros procedimientos de transformación25, puede ser definido como un “compuesto” constituido por la resina base llamada “aglutinante” y varios aditivos químicos así como cargas o rellenos de diferente naturaleza. 25 Ídem, Págs. 13-16 26 Actualmente la cantidad de compuestos para moldeo es tan grande que resulta difícil seleccionar un material apropiado para una aplicación específica. En el grupo de resinas termoplásticas (tabla 2.1), se presenta una lista de resinas básicas más utilizadas para la producción de compuestos de moldeo, generalmente se abastecen en polvo o en gránulos (pellets). RESINAS TERMOPLÁSTICAS (Resinas base) Símbolo ISO 1043 Denominación Acrílicas PMMA Polimetil-metacrilato Celulósicas CA CAB CP Acetato de celulosa Acetobutirato de celulosa Propionato de celulosa Estirénicas PS SB ABS SAN Poliestireno Poliestireno alto impacto Acrilonitrilo-butadieno-estireno Acrilonitrilo-estireno Vinílicas PVC PVAC Cloruro de polivinilo Poliacetato de vinilo Poliolefínicas PE PP Polietileno Polipropileno Poliacetálicas POM Poiacetal (polio-simetileno) Piliamidas (nylon) PA 66 PA 6 PA 610 PA 11 PA 12 Poliamida 66 Poliamida 6 Poliamida 610 Poliamida 11 Poliamida 12 Policarbonatos PC Policarbonato Poliésteres Termoplásticos PBTP PETP Polibutilén-tereftalato Polibutilén-tereftalato PolifenilénicasPPO Polióxido de fenileno Poliuretanos (con estructura lineal) PUR Poliuretano termoplástico Resinas Fluoro-carbónicas FEP ETFC PCTFE Fluoro etileno-propileno Tetrafluoroetileno-etileno Trifluoroetileno-policloro Tabla 2.1 Cada carga proporciona a la pieza moldeada características particulares, sean mecánicas o físicas, tales como: elevada resistencia al impacto, buena propiedad aislante, resistencia al arco eléctrico, etc. El grupo de las resinas termofijas (tabla 2.2) incluye las resinas básicas más conocidas y empleadas en la preparación de compuestos para moldeo, abastecidos por el mercado bajo la forma de polvo o pellets. 27 RESINAS TERMOFIJAS (Resinas base) SÍMBOLO ISO 1043 Denominación Fenólicas PF Resina fenol-formaldehído Melamínicas MF MPF Resina melamina-formaldehído Resina melamina-fenol-formaldehído Ureicas UF Resina urea- formaldehído Alquídicas -- Resina alquídica Arílicas PDAP Resina alílica (polidial-ilftalato) Epóxicas EP Resina epóxica Poliésteres insaturados UP Resina poliéster (insaturada) Poliuretanos (con estructura reticulada) PUR Resina poliuretánica (rígida o flexible) Silicónicas (con estructura reticulda) SI Resina silicónica (rígida o flexible) Tabla 2.2 En el caso de los termofijos también existe una extensa gama de materiales de moldeo disponibles, por lo que resulta complejo seleccionar el material idóneo para la producción en serie de una determinada pieza moldeada. Una primera selección debe hacerse entre materiales termoplásticos y materiales termofijos que presentan características y comportamientos diversos de acuerdo al trabajo mecánico, térmico y eléctrico y a la acción de agentes externos que pueden afectar la eficiencia y la duración del material plástico preseleccionado (agentes químicos, humedad del ambiente, temperatura de servicio, etc.) También deben considerarse aspectos técnico-económicos sobre la mayor o menor facilidad de transformación unido con la adopción de un material termoplástico o termofijo (duración del ciclo de moldeo, necesidad de trabajo secundario, etc.). El diseñador esta comprometido a tener en consideración las características físicas y mecánicas de los materiales plásticos que pudieran ser idóneos para la producción de una determinada pieza moldeada (una bomba para líquido alcalino, un par de engranes que deben trabajar sin lubricación, etc.). 2.1.3 Propiedades físicas y mecánicas de los plásticos En el pasado los plásticos han sido utilizados como sustitutos de los materiales tradicionales metálicos y aislantes con resultados no siempre positivos26, la actual difusión y el empleo ahora ya generalizado han contribuido a un mejor conocimiento y una aplicación más apropiada de estos “nuevos materiales”. Cuando en alguna aplicación los materiales plásticos deben sustituir a los metales, el vidrio, la cerámica, debe considerarse en el proyecto de la nueva pieza moldeada, la notable 26 Ídem, págs. 17-21, 23-27 28 diferencia de resistencia a las cargas mecánicas y térmicas, así como el comportamiento en servicio entre el material plástico seleccionado y el material usado anteriormente. Las propiedades de un material plástico dependen en primer lugar de las características químico-físicas de la resina base y de los aditivos usados para mejorar o modificar alguna propiedad de dicha resina. En general los materiales termoplásticos con estructura lineal pueden ser subdivididos en dos subgrupos con referencia a su acomodo molecular: - polímeros con estructura amorfa - polímeros con estructura parcialmente cristalina La diversa estructura molecular no solo influye en el comportamiento en el proceso de fusión y solidificación, sino que también determina las propiedades físicas y mecánicas Otra característica ligada a la naturaleza química de los polímeros termoplásticos es su tendencia a absorber agua, ya sea del ambiente (aire húmedo) o por inmersión directa; mientras menor sea la disposición para absorber agua, mejores serán los resultados en cuanto a estabilidad dimensional y a su propiedad aislante. En general, los materiales plásticos (ya sean termoplásticos o termofijos) deben ser moldeados o extruidos con un mínimo de humedad para evitar la formación de vapor de agua durante el proceso. Las piezas moldeadas salen de los moldes completamente deshidratadas (prácticamente secas) pero tienden a absorber lentamente humedad del ambiente. Consecuentemente las piezas moldeadas que han absorbido agua en mayor o menor cantidad varían sus dimensiones, su resistencia mecánica y sus características aislantes. Los materiales termofijos tienen, a diferencia de los termoplásticos, características químico-físicas totalmente diversas. La resina base, que constituye la esencia del compuesto para el moldeo, cuando es llevada al punto de fusión no puede permanecer en estado fluido por mucho tiempo, se inicia rápidamente el proceso irreversible de endurecimiento (o cura) bajo la acción del calor, de la presión y de las sustancias catalizadoras o agentes de endurecimiento. Las resinas básicas tienen en general estructura amorfa, aspecto vitreo y son bastante frágiles. En el breve tiempo entre la fusión y el inicio del endurecimiento (llamado “vida plástica”) debe concluirse el moldeo, vaciado o cualquiera que sea el método de transformación. Debe considerarse que la contracción de un material termofijo puede variar según el método de transformación que se use (inyección, transferencia, compresión). 2.1.4 Comportamiento mecánico de los materiales plásticos Los materiales plásticos sometidos a esfuerzos mecánicos se comportan en forma diferente a los metales. Su propia estructura consta de largas cadenas moleculares de 29 sustancias orgánicas por lo tanto muy diversas a la estructura cristalina de los metales. Resulta también muy diferente la capacidad de resistencia a los esfuerzos mecánicos que son influidos negativamente con el aumento de la temperatura y la duración de los mismos. Los materiales termoplásticos sometidos a tracción no siguen fielmente la ley de Hooke, según la cual dentro de ciertos límites, las deformaciones son proporcionales a la carga. A temperaturas normales (23°C) bajo carga constante, se produce en los termoplásticos el fenómeno de deformación plástica. Con temperaturas más elevadas (80°C-100°C) se producen disminuciones notables de su resistencia mecánica y en consecuencia disminuye también la rigidez del producto.} Los materiales termofijos son a su vez poco influenciables por las variaciones de temperatura. Se trata en general de plásticos rígidos, bastante frágiles, que sometidos a tracción se rompen sin presentar debilitamiento. Tienen una alta resistencia a la compresión con deformaciones sin importancia en relación al tiempo. Las variables, por lo tanto, que mayormente influyen sobre el comportamiento mecánico y sobre la estabilidad dimensional de los materiales plásticos son: - Variación de la temperatura de trabajo y la absorción de agua. - Tiempo (duración) de la aplicación de una carga estática y el consiguiente fenómeno de deformación plástica. - Esfuerzos dinámicos de larga duración que provocan roturas de fatiga. - Envejecimiento (degradación) causados por la intemperie (agentes atmosféricos o químicos). - Defectos en la estructura de la pieza moldeada (tensiones internas, etc.) debido a regulaciones hechas sin cuidado en el ciclo de moldeo. En cuanto a su comportamiento en la elaboración, los distintos tipos de material muestran diferencias demasiado grandes para permitir una consideración desde el punto de vista de la forma ideal. 2.2 MÁQUINAS DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO Las maquinas para el moldeo por inyección de materiales termoplásticos son una derivación de las máquinas de
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